نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران

نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران

ارزیابی و پیش‌بینی کیفیت آب رودخانه تالار با استفاده از مدل‌های یادگیری عمیق و تحلیل‌های آماری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری علوم و مهندسی آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران.
2 دانشیار, گروه علوم و مهندسی آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری. ساری، ایران.
3 استاد, پژوهشکده سنجش از دور وGIS محیطی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری. ساری، ایران
4 رئیس مرکز ملی مطالعات و تحقیقات دریای خزر
5 استاد گروه علوم و مهندسی آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری
10.22125/iwe.2025.510360.1868
چکیده
مدیریت پایدار منابع آب سطحی نیازمند پایش مستمر و تحلیل دقیق کیفیت آب در بازه‌های زمانی مختلف است. این پژوهش با هدف ارزیابی کیفیت آب رودخانه تالار در دوره‌های کم‌آبی (شهریور) و پرآبی (اردیبهشت) انجام شد. طی بازدیدهای میدانی، ۱۵ نقطه نمونه‌برداری در کاربری‌های مختلف تعیین گردید. نمونه‌ها از عمق ۱۵ تا ۳۰ سانتی‌متری زیر سطح آب، در دو نوبت برداشت شدند. نتایج نشان داد در دوره پرآبی، هدایت الکتریکی (EC) و کل جامدات محلول (TDS) با یون‌های محلول مانند کلسیم (Ca)، منیزیم (Mg) و سدیم (Na) همبستگی مثبت قوی دارند (r>0.94). همچنین، pH با فلزات سنگین نظیر آلومینیوم(r=-0.35) و سیلیسیم (r=-0.28) همبستگی منفی داشت که به تغییرات حلالیت این عناصر در شرایط اسیدی مربوط است. تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA) نشان داد در دوره کم‌آبی، دو مؤلفه اصلی بیش از ۹۰ درصد واریانس داده‌ها را توضیح می‌دهند. مؤلفه اول تحت تأثیر یون‌های محلول مانند سدیم، کلرید و گوگرد بود، در حالی‌که مؤلفه دوم با پارامترهایی چون EC و کدورت مرتبط بود. در دوره پرآبی، مؤلفه اول با 95.69 درصد واریانس، عمدتاً تحت تأثیر TDS و EC قرار داشت. مدل‌سازی غلظت کلسیم با استفاده از مدل‌های یادگیری عمیق نشان داد که مدل CNN عملکرد بهتری نسبت به LSTM دارد. در ایستگاه شیرگاه، مدل CNN با ضریب همبستگی 0.75 تطابق بیشتری با داده‌های واقعی داشت، درحالی‌که LSTM ضریب 0.6 نشان داد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Assessment and prediction of water quality in the Talar River using deep learning models and statistical analysis

نویسندگان English

Mina Ahmadi Sarkhooni 1
fatemeh Shokrian 2
Karim Solaimani 3
Masoume Banihashemi 4
Ataollah Kavian 5
1 Ph.D. Student, Department of Sciences and Watershed Management Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran
2 Associate Professor, Department of Science and Watershed Management Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran
3 Professor, Environmental Remote Sensing & GIS Research Institute, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Ira
4 Caspian Sea National Study and Research Center
5 Professor, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources university, Natural Resources faculty, Watershed Management Engineering group, Sari,
چکیده English

Sustainable management of surface water resources requires continuous monitoring and accurate analysis of water quality at various time intervals. This study assessed the water quality of the Talar River during low-water (September) and high-water (May) periods. During field visits, 15 sampling points were identified in areas with different land uses. Samples were collected from depths ranging from 15 to 30 cm below the water surface on two occasions. The results showed that, during the high-water period, electrical conductivity (EC) and total dissolved solids (TDS) exhibited a strong positive correlation with dissolved ions, such as calcium (Ca²⁺), magnesium (Mg²⁺), and sodium (Na⁺). Additionally, pH exhibited a negative correlation with heavy metals, such as aluminum (r = -0.35) and silicon (r = -0.28), indicating changes in the solubility of these elements under acidic conditions. Principal component analysis (PCA) revealed that, during the dry period, two main components accounted for over 90% of the variance in the data. The first component was influenced by dissolved ions such as sodium, chloride, and sulfur. The second component was related to parameters such as EC and turbidity. During the high water period, the first component was primarily influenced by TDS and EC, accounting for 95.69% of the variance. Modeling calcium concentration using deep learning models revealed that the convolutional neural network (CNN) model outperformed the long short-term memory (LSTM) model. At the Shirgah station, the CNN model fit the real data better, with a correlation coefficient of 0.75; the LSTM showed a coefficient of 0.6.

کلیدواژه‌ها English

Heavy metals
Pearson correlation coefficient
Principal Component Analysis (PCA)
Taylor plot